壓縮空氣是鐵路機(jī)車、車輛空氣制動(dòng)機(jī)及風(fēng)動(dòng)設(shè)備必不可少的工作介質(zhì)。大氣中原有的塵埃、水蒸汽經(jīng)壓縮后，濃度劇增。另外，空壓機(jī)在工作的過(guò)程中，會(huì)混入一些霧狀機(jī)油?；覊m、水汽、油霧是機(jī)車空氣系統(tǒng)中三種主要有害物質(zhì)，其中尤以水的危害最大。為了清除上述三種物質(zhì)，延長(zhǎng)機(jī)車、車輛使用壽命，保障機(jī)車運(yùn)行安全，在機(jī)車的空氣系統(tǒng)中，必須設(shè)空氣干燥器。這一點(diǎn)已得到共識(shí)。
目前，機(jī)車上所使用的吸附式空氣干燥器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障多、維修維護(hù)費(fèi)用高、操作不方便。另外，吸附劑耐水硅膠在高壓空氣的沖擊下，振動(dòng)、摩擦產(chǎn)生的粉末、細(xì)小顆粒還會(huì)造成二次污染。雖然，在通往制動(dòng)機(jī)各部件的管路上一般都設(shè)有濾塵器。但是，機(jī)車運(yùn)用單位在檢修機(jī)車時(shí)，在制動(dòng)系統(tǒng)各部件的拆檢過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)管路系統(tǒng)內(nèi)部銹蝕現(xiàn)象仍然存在，大的銹渣可被濾塵器截住，而很多膠狀銹泥(鐵銹粉末或細(xì)小顆粒與油、水的混合物)卻可通過(guò)濾塵器，粘附在各閥內(nèi)部零件上，使制動(dòng)機(jī)的動(dòng)作失控。這種現(xiàn)象的存在，說(shuō)明目前使用的吸附式空氣干燥器尚不能完全滿足機(jī)車制動(dòng)機(jī)的使用要求。因此，有必要進(jìn)一步提高壓縮空氣的質(zhì)量。新型空氣干燥器— —高分子膜式壓縮空氣干燥器(簡(jiǎn)稱為膜式干燥器)具有壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不消耗能源、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、重量輕、安裝維修方便等特點(diǎn)。在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上，已是成熟產(chǎn)品，且規(guī)格齊全，是較理想的壓縮空氣干燥器換代產(chǎn)品。由膜式干燥器與吸附式空氣干燥器的各項(xiàng)指標(biāo)的對(duì)比情況(見(jiàn)表1)，可以看出滲膜式干燥器具有很大的優(yōu)越性，為了提高壓縮空氣的質(zhì)量，機(jī)車上應(yīng)安裝滲膜式干燥器。
項(xiàng)目 | 膜式干燥器 | 吸附式空氣干燥器 |
處理后壓縮空氣含油率(PPM) | <5 | <10 |
處理后壓縮空氣含塵埃的顆粒(μm） | <0.1 | <10 |
處理后壓縮空氣的相對(duì)濕度 | 35％ 、l0％ 一l5％、3％任選 | ≤40％(非定值) |
是否產(chǎn)生污染物 | 不產(chǎn)生任何污染 | 干燥劑振動(dòng)、摩擦產(chǎn)生粉末和細(xì)小顆粒 |
2 機(jī)車上運(yùn)用膜式干燥器的可行性論證
膜式干燥器是利用高分子中空膜纖維管來(lái)分離水分子，實(shí)現(xiàn)使空氣干燥的目的。膜式干燥器具有節(jié)能、壽命長(zhǎng)、免維修、維護(hù)簡(jiǎn)單、費(fèi)用低、體積小和重量輕的特點(diǎn)。提供的干燥空氣具有穩(wěn)定的相對(duì)濕度”。
2．1 技術(shù)上的可行性論證
2．1．1 結(jié)構(gòu)
膜式干燥器包括過(guò)濾器和滲水膜分離器二部分，其中預(yù)過(guò)濾器為可選部件，。
膜式干燥器的組成
1一預(yù)過(guò)濾器(可選用)；2一精密過(guò)濾器；3一滲水膜分離器。
(1)過(guò)濾器
潮濕的壓縮空氣首先通過(guò)預(yù)過(guò)濾器和精密過(guò)濾器。二者結(jié)構(gòu)基本相同，外殼是耐壓、耐腐蝕的簡(jiǎn)體，內(nèi)裝具有高化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性(耐高溫可達(dá)120~C)的濾芯，自動(dòng)排污閥。經(jīng)預(yù)過(guò)濾器處理后，空氣含塵埃的顆粒度小于lμm，經(jīng)精密過(guò)濾器處理后，空氣含塵埃的顆粒度小于0．01μm。因此，經(jīng)處理后的壓縮空氣可有效去除雜質(zhì)、油滴和部分水份，然后進(jìn)入滲水膜分離器。濾出的雜質(zhì)、液滴沿濾芯纖維流向殼底，經(jīng)排污閥排出，從而有效提高空氣品質(zhì)，并起到有效保護(hù)后端膜式干燥器的作用。過(guò)濾器濾芯為防水型纖維材料，遇水、油后不會(huì)膨脹，可避免堵塞過(guò)濾器，造成壓力損失。精密過(guò)濾器結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，便于安裝。維護(hù)簡(jiǎn)單、方便，只需定期更換濾芯。另外，精密過(guò)濾器殼體設(shè)有安全壓力鎖，卸壓后才能進(jìn)行維護(hù)操作。同現(xiàn)在機(jī)車上與吸附式干燥器配套使用的油水分離器相比，不但體積小，維護(hù)方便，而且凈化空氣的效果大大提高。
圖2 滲水膜分離器的工作原理圖
1一反吹氣控制器；2一耐壓保護(hù)筒；3一中空膜纖維管；4一環(huán)氧聚合物粘結(jié)劑。
滲水膜分離器利用高分子中空纖維膜的過(guò)濾作用，分離水分子。水份分離過(guò)程具有無(wú)相變、不消耗能量、效率高的特點(diǎn)。每個(gè)分離器單只組件由數(shù)萬(wàn)根高分子材料中空纖維絲管集合在一起組合成束，每束絲的兩端粘結(jié)固定在一個(gè)耐壓筒內(nèi)。潮濕的壓縮空氣從膜分離器纖維絲管的一端進(jìn)入，水份透過(guò)高分子纖維膜分離出來(lái)，干燥空氣從膜分離器纖維絲管的另一端排出。其中的水汽在溶解、擴(kuò)散的過(guò)程中，水份的分離推動(dòng)力就是氣體各組分的分壓力在中空纖維內(nèi)腔與外腔所形成的分壓差。壓縮空氣和反吹氣的相對(duì)濕度的差異導(dǎo)致只有水汽向纖維管外快速擴(kuò)散。然后，再用所產(chǎn)生的干空氣的10％ ～15％(自動(dòng)調(diào)節(jié))將分離出的水汽及時(shí)反吹人大氣中。因此，中空纖維絲管內(nèi)流出的干燥壓縮空氣除去了水份，而其它成份保持不變。機(jī)車上使用的壓縮空氣要求在空氣系統(tǒng)中最末端也不產(chǎn)生冷凝液，以避免空氣系統(tǒng)中各部件受到腐蝕。這與滲水膜分離器的工作特性完全吻合。滲水膜分離器的反吹氣控制器可以自動(dòng)按比例調(diào)節(jié)反吹氣量，提供符合要求的干燥空氣，在空氣系統(tǒng)中不產(chǎn)生冷凝水。在間歇用氣階段(空壓機(jī)停機(jī)階段)，反吹氣控制器可自動(dòng)控制反吹氣量速下降。由于壓縮空氣耗氣量很小，應(yīng)用在機(jī)車上時(shí)，可以確保足夠的干燥壓縮空氣進(jìn)入空氣系統(tǒng)，不會(huì)造成空壓機(jī)頻繁啟動(dòng)，耗費(fèi)過(guò)多的能量。
2．1．3 滲水膜分離器的工作特點(diǎn)
(1)滲水膜分離器處理后的空氣可保持穩(wěn)定的相對(duì)濕度，因此能為空氣系統(tǒng)提供干燥程度恒定的干燥空氣。目前市場(chǎng)上，有相對(duì)濕度為35％、10％ ～15％及3％的干燥空氣的成熟產(chǎn)品供選用，干燥空氣露點(diǎn)可達(dá)一30～一50~C，完全可保證在機(jī)車運(yùn)行中空氣系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生冷凝水。
(2)滲水膜分離器的反吹氣調(diào)節(jié)閥不需任何附加能源，根據(jù)空氣系統(tǒng)的耗氣量大小、氣候、溫度的變化，按比例全自動(dòng)調(diào)節(jié)吹氣量。具有反應(yīng)快速、連續(xù)、不間斷工作的特性。在間隙用氣時(shí)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉反吹氣調(diào)節(jié)閥，反吹氣量會(huì)迅速下降。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用狀況，反吹氣調(diào)節(jié)閥能減少75％的反吹氣量。
(3)滲水膜分離器無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，水汽分離過(guò)程無(wú)化學(xué)反應(yīng)，不用電源?？諌簷C(jī)啟停導(dǎo)致的氣壓波動(dòng)、機(jī)車運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的震動(dòng)、電源電壓的波動(dòng)等，對(duì)滲水膜分離器均不產(chǎn)生影響。使用過(guò)程中免維修。
(4)滲水膜分離器單只組件處理空氣流量范圍是0．01～2．08m3／min，當(dāng)壓縮空氣的用氣量大于2m3／min時(shí)，最多可將5個(gè)單只干燥能力為2m3／min的滲水膜分離器并聯(lián)或串聯(lián)使用。
2．1．4 滲水膜分離器的安裝要求
(1)滲水膜分離器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、重量輕、體積小，且可任意角度放置，節(jié)省安裝空間，適合放置在機(jī)車內(nèi)空間狹窄的地方。
(2)滲水膜分離器進(jìn)氣溫度要求小于60℃ ，必須前置容量與壓縮空氣流量相匹配的空氣冷卻器。
(3)滲水膜分離器對(duì)進(jìn)氣質(zhì)量要求較高，必須設(shè)預(yù)過(guò)濾器和精密過(guò)濾器。其中預(yù)過(guò)濾器可根據(jù)壓縮空氣的質(zhì)量狀況選擇設(shè)置。前級(jí)精密的過(guò)濾是滲水膜分離器正常工作的前提條件。
2．1．5 滲膜式干燥器的裝車方案
(1)單獨(dú)應(yīng)用滲膜式干燥器方案要求進(jìn)氣溫度不大于60℃，設(shè)計(jì)時(shí)，機(jī)車必須設(shè)置冷卻能力與用風(fēng)量相匹配的總風(fēng)冷卻器。為了滿足滲膜式干燥器的工作要求，選型時(shí)必須考慮在滲水膜干燥器前設(shè)置精密過(guò)濾器，還可根據(jù)所處理空氣的質(zhì)量，在精密過(guò)濾器前增設(shè)預(yù)過(guò)濾器。
干燥器要求工作環(huán)境溫度2～60℃，設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮在冬季采取防寒措施。
(2)吸附式干燥器串接滲膜式干燥器方案可以采用在現(xiàn)有干燥器的后端串接滲膜式干燥器，進(jìn)一步提高空氣質(zhì)量的方案。這兩種方案的應(yīng)用，一定會(huì)提高機(jī)車空氣系統(tǒng)的空氣質(zhì)量，為機(jī)車的安全運(yùn)行提供保證。
2．2 經(jīng)濟(jì)方面的可行性分析
膜式干燥器的一次投入成本約為吸附式空氣干燥器的3倍左右，可能這也是目前該產(chǎn)品沒(méi)有在鐵路機(jī)車上廣泛使用的原因之一。膜式干燥器免維修，它替代吸附式干燥器后，可徹底消除干燥器故障點(diǎn)，減輕操作者勞動(dòng)強(qiáng)度，大大減少維修費(fèi)用，它的壽命期成本小于吸附式干燥器，而且還能節(jié)約能源，提高機(jī)車運(yùn)用的可靠性，從而，創(chuàng)造更高的效益。
2．3 膜式干燥器的應(yīng)用效果分析
研究表明，金屬零件表面生銹的臨界值是相對(duì)濕度35％(RH)，在相對(duì)濕度超過(guò)35％的環(huán)境中，普通金屬表面就會(huì)發(fā)生銹蝕；當(dāng)相對(duì)濕度超過(guò)40％時(shí)，腐蝕將會(huì)加劇。通過(guò)表1可以看出，通過(guò)滲膜式干燥器處理后的干燥空氣指標(biāo)可以滿足機(jī)車使用壓縮空氣的要求，減輕甚至消除零件的銹蝕現(xiàn)象。預(yù)計(jì)這種干燥器使用后，會(huì)有效地減緩或消除管路和制動(dòng)部件銹蝕的現(xiàn)象，使制動(dòng)閥操作靈活，避免前述各種危害，使制動(dòng)機(jī)各部件及其它用風(fēng)設(shè)備的壽命得到有效的延長(zhǎng)。
3 結(jié)語(yǔ)
膜式干燥器所采用的高分子氣體分離膜是近20年來(lái)開(kāi)發(fā)研制的高新技術(shù)產(chǎn)品，目前國(guó)際上對(duì)該技術(shù)的研究方興未艾，并取得了驚人的成績(jī)。膜分離技術(shù)在許多行業(yè)都有著廣泛的應(yīng)用，在國(guó)外鐵路機(jī)車上已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用。但在我國(guó)鐵路機(jī)車行業(yè)它還是一個(gè)新生事物。通過(guò)以上分析，可以了解滲膜式干燥器的工作特性完全能夠滿足鐵路機(jī)車空氣系統(tǒng)的用風(fēng)要求。
綜上所述，滲膜式干燥器在我國(guó)鐵路機(jī)車行業(yè)必將有廣闊的應(yīng)用前景。